新型舌图像客观化采集装置设计研究

新型舌图像客观化采集装置设计研究

章鸣铭1，瞿婷婷1，杨晨阳1，夏春明1，王忆勤2，钱鹏2

1.华东理工大学 机械与动力工程学院(上海，200237)

2.上海中医药大学 基础医学院(上海，201203)

国家自然科学基金项目(81173199)

通信作者：夏春明，E-mail:cmxia@ecust.edu.cn

【摘要】该文研究的新型舌图像客观化采集装置，主要用于采集患者舌体的图像。与国内外同类产品相比，该装置提出了动态采集的新概念，通过嵌入式系统控制摄像头运动实现对舌面的垂直拍摄。该采集方式下，舌图像具有更高的保真度，更加完整清晰的舌体特征，以及更加逼近自然光照射下的舌面色泽。较好地克服了原先由于静态采集带来的舌体信息反映不完全的弊端。

【关键词】中医舌诊；舌图像采集；图像处理；采集装置

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.001

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BAI08B01-04)；

作者简介：章鸣铭，E-mail:brucechang8@163.com

【中图分类号】R445.9

【文献标志码】A

文章编号：1674-1242(2015)02-0065-04

Abstract【】The device designed in this paper is mainly used for taking photos of the patient's tongue. Compared with similar products on the market, this one has put forward a new concept of dynamic acquisition, which is aimed at taking the photos from a vertical vision. In this condition, the tongue image could have higher fidelity, more complete and clear feature, and more close to the irradiation of tongue color under the natural light. This device has overcome the original problems caused by the static collection model to some extent.

收稿日期：(2015-03-23)

Design of a New Equipment for Objectification of Tongue Diagnosis

ZHANG Mingming1, QU Tingting1, YANG Chenyang1, XIA Chunming1, WANG Yiqin2, QIAN Peng2

1. School of Mechanical and Power Engineering,

East China University of Science and Technology (Shanghai, 200237)

2. Basic Medical College, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine (Shanghai, 201203)

【Key words】TCM tongue, tongue image capture, image processing, acquisition device

0　引言

中医学凭借其独特的望闻问切的诊疗手段和显著的临床疗效屹立于世界医学之林。在现代医学领域，中医学也以其特有的理论体系，被视为与西医学互补的生命科学学科。但是由于中医诊疗过于依赖医生的临床诊断，主观性太强，导致大量医术失传，很多病例及其治疗方法都没有得到有效的记载，限制了中医在近现代的发展。

近年来，国家充分意识到了中医学巨大的潜在价值，正积极推动中医诊断现代化的进程。中医四诊客观化的研究是推动中医现代化的必然途径，目前国家对中医诊疗仪器的研制给予了诸多支持。舌诊是中医“望诊”的重要内容，舌图像的客观化采集是舌诊客观化研究的基础，对推动中医现代化有着重要意义。

1　国内外同类产品

早期的中医舌象采集装置是北京工业大学信号与信息处理研究所研制的SIPL型中医舌象分析仪[1]，该设备经过三次更新换代，较好地解决了重症卧姿病人的舌象采集问题。ZBOX-I型舌脉象数字化分析仪[2]采用色温为5 000 K的标准光源，光源特性接近自然光源，其设计的暗箱结构可有效防止拍摄的舌象照片产生阴影。天津中医药大学研制的新型中医舌诊面诊仪[3]采用LCD光源，增设了紫外线杀菌灯管及换气扇装置，以利于仪器内的消毒与通风，防止交叉感染。北京工业大学发明的箱式中医舌象分析仪[4]，通过凸面式的内腔设计有效地解决了舌体反光点的问题。

研究发现，上述提及的几款比较先进的舌诊仪，其采集装置都是固定后置的。而由于患者舌体的形状各异，大小不同，在接受诊疗时，不同患者伸出的舌面与水平面的夹角也各不相同，并不能够保证处于采集装置视角内的舌面清晰完整。这种情况对数据库的比对分析及后续的病情辅助诊断将造成较大影响，一定程度上阻碍了舌诊客观化的发展。本文研究将重点解决上述问题。

2　整体方案设计

新型舌图像客观化采集装置的设计，主要是从硬件设计和软件设计两个方面完成的。该装置的硬件部分是基础，软件部分是核心。新型舌图像客观化采集装置的硬件主要包括提供稳定采集环境的腔体，由大小两个舵机组成的、用于调节摄像头拍摄角度的双自由度驱动机构以及“卤光灯”光源等。

在装置运行过程中，通过程序算法控制两个舵机的打角，不断调整摄像头的位置和拍摄视角，使得摄像头能够在其镜面法线方向与患者舌面垂直的情况下，完成舌图像的采集。图1为采集装置整体框架示意图。

图1　采集装置整体框架示意图

2.1硬件设计

2.1.1腔体设计

本课题所研发的新型舌图像客观化采集装置属于高端中医诊疗器械，因而对采集图像的品质提出了很高的要求。在图像采集过程中，为了尽可能减少外界环境(包括光线、温度、湿度等)对图像采集带来的影响，本装置采用了暗箱式的腔体结构。同时，腔体的采集窗口边缘套上了一层橡胶圈，患者在就诊时，只需将面颊贴近采集窗口，通过橡胶圈与脸颊的自动契合就可以使得腔体达到完全封闭的状态，从而提供了一个不受环境变化干扰的标准环境，提高了图像采集的稳定性和可靠性。

为了保证腔体内的光照环境均匀稳定，在腔体内侧涂刷一层吸光性材料，使得腔体于照明之外并无透射，也不产生映射以及大块的耀斑和反光，腔体通过漫反射处的部分光线保持舌体的明暗层次。本装置的内腔形状采取了积分球式的构造，这样从光源发出的光线经腔体内壁在采集腔内发生的漫反射更加均匀，从而提高了采集环境的质量，增加了采集装置捕捉到舌体的保真性。

2.1.2驱动设计

新型舌图像客观化采集装置的研发目的是能够提取一幅模拟自然光照射下的不失真舌象，被提取舌象应当舌面完整，纹理清晰，色泽层次感分明。由于就诊患者不同，伸出舌体姿态也就各异。要满足以上评价指标，最可行的方案就是能够实现对舌体表面的垂直拍摄。该采集方式对设备的采集装置的运动灵活性提出了较高的要求。

本装置中，驱动机构的主体由一上一下的两个舵机组成。大舵机扭矩大，急停性能很好，固定安装在设备的底部。小舵机响应速度快，安装在由大舵机带动的连臂上。底部的大舵机用来实现采集装置的粗定位，而跟随大舵机运动的小舵机则通过软件算法控制打角来实现采集装置的精确定位。在驱动机构运行过程中，大舵机快进到工作位置附近，随后小舵机通过软件控制，自动调整采集装置姿态获得垂直采集视角，从而实现最终的拍摄。

临床研究表明，患者在就诊过程中，舌体能够保持稳定状态的时间约为5 s。实验表明，本驱动机构具有响应快速的特点，在实际采集过程中耗时2～3.5 s，很好地满足了这一生理条件。图2为实验测得的整个采集过程主副舵机的打角响应曲线。

2.1.3采集装置选型

国内外同类产品的图像采集装置主要包括摄像机、高速照相机和普通照相机这三种形式。由于新型舌图像客观化采集装置的设计出发点是动态采集，因此对于采集装置的选择必须另辟蹊径。为了实现整体机构的小巧、灵活、响应快的特点，本装置采用了OV2640彩色摄像头进行采集。由于OV2640是可编程控制的摄像头，可以直接通过嵌入式系统对摄像头进行控制。本装置对于摄像头的控制是通过C语言编程实现的，大大缩短了图像传输和处理的时间，并且实现了短时间内的快速捕捉，不但提高了设备的使用性能，也极好的解决了患者不能长时间保持舌体静止的问题。

图2主副舵机打角响应曲线

Fig.2Response curve of the servos

2.1.4光源选型及布局

(1)光源选型

在光源的选型过程中，必须要从光源的显色性、色温以及光照强度这几个主要方面来考虑。光源的显色性是指与参照标准(如标准照明体、日光等)相比较，一个光源对物体外貌颜色所产生的效果，它是衡量光源视觉质量的重要指标。不同色温的光源具有不同的光谱，直接影响摄像头接收的反射光谱，造成成像的差异。对于光照强度，其过强或过弱都会降低色彩饱和度，所以光照强度必须适中。同时，由于设备是近距离拍摄，因此要求光源的热辐射尽可能小，以免导致色温的升高和就诊环境的恶化。综合考虑，本装置选择使用光效好，显色性强，色温低和平均寿命长的卤钨灯作为设备的光源。

(2)光源布局

本装置采用了国内目前比较先进成熟的光源布局方案，即漫射/垂直(d/0)照明方式[5]。这种方式下，光照要求比较容易实现，照明光线由光源发出，经腔体内壁发生多次漫反射在舌体上产生的光照将更加均匀，其产生的测试效果与被测物体的形状几乎无关。

2.1.5人性化设计

本装置还增加了一些人性化设计。在腔体的采集窗口套装了一层橡胶圈，避免患者脸颊与设备金属外壳的直接接触。同时，装置底部安装的紫外灯和换气扇有助于设备内的空气流通和消毒，防止产生交叉感染。

2.2软件设计

新型舌图像客观化采集装置需要软件算法来控制的主要有两部分：第一部分是对于摄像头运动轨迹的控制，其目的是为了寻找到最佳的拍摄位置和拍摄角度；第二部分是图像的传输和处理，摄像头采集到的图像需要有选择性地传输到单片机中，随后单片机需要通过图像处理程序分析当前图像，并及时调整摄像头的当前位置和视角。该采集装置的软件算法流程图如图3所示。

图3整体流程图

Fig.3Overall flowchart

2.2.1运动轨迹控制

新型舌图像客观化采集装置创造性地提出了动态采集的概念，及采集装置是可以通过动态调整来适应不同患者的不同舌体姿态，这就给摄像头的运动控制提出了较高的要求。通过查阅相关资料，预先人为设定了患者伸出舌体后舌面的中心位置，控制运动轨迹的目的就是使得摄像头在运动过程中能够始终对准这个假想的中心点，这样大大简化了算法，提高了舌象采集的速度。

本装置的主要驱动元件为两个舵机，控制算法主要围绕着给两个舵机同时发匹配的PWM波。由于两个舵机的响应速度不同，理论计算出来的结果与实际运行效果偏差很大。但是由于其余硬件都是固定的，亦即相互间的几何关系一定，便可在理论计算的基础上不断进行调试，以达到最初的目的。

2.2.2图像传输和处理

(1) 图像的采集和传输

由于采集装置为可编程的OV2640，因此图像的采集和传输可以借助DMA来完成，即使用场中断和行中断，DMA传输。如果需要先过滤部分行不采集，则设置一个静态变量，每次行中断来了都自加1，根据值来选择采集或不采集某些行。每个PCLK 上升沿都会触发DMA 传输，把摄像头输出的值读取到内存数组里。当触发次数等于图像列数目时后，DMA 传输停止。当行中断次数等于一幅图像的行数时，就结束图像采集，关闭行中断和场中断，等待下一个场中断的触发。采集程序每间隔10 ms触发一次场中断，即摄像头每隔10 ms传输一次图像。图像采集和传输的整体算法流程图如图4所示。

图4舌象处理分析算法流程图

Fig.4Image processing flowchart

(2) 图像的处理

对于图像的处理主要分为两步。第一步是提取舌体。装置采用了读取跳变的方式来提取舌体的轮廓。由于舌体的颜色与人体面部皮肤的颜色明显不同，通过判断相邻像素点的强度之差的大小，来判断此处是否跳变，从而提取轮廓[6]。在此基础上，算法中还加入了必要的滤波程序。第二步是计算舌体面积。投影理论表明，当光源正对被照射物时，阴影面积最大。因此，可以得出最优舌图像对应着最大舌面积的结论。通过寻找具有最大舌体面积的拍摄位置，即可反求出摄像头与舌体呈垂直拍摄情况时的位置。舌体面积的计算，只需对第一步中提取的舌体轮廓进行加减处理即可。舌图像提取以及分析计算的算法流程图如图4所示。

3　结语

新型舌图像客观化采集装置的研发，创造性地采用了动态采集的图像采集模式，实现了对于舌体的垂直拍摄，保证了被提取舌体的完整性、舌面纹理的清晰度以及舌面色泽的层次感和保真度。该装置的硬件部分和软件部分相辅相成，随着研究的不断深入，控制摄像头运动的算法得到优化，最大限度的发挥了双自由度驱动机构的灵巧性，大大缩短了采集时间，简化了采集过程，提高了装置的使用效率。为了进一步完善该装置的性能，课题组后期还将进行对于舌图像分析和处理算法的进一步开发。同时，笔者认为，舌诊仪在未来应向小型化发展，采集过程应当更加迅速，采集图像的质量应当进一步提高。只有这样，才能真正推动我国舌诊客观化的进程，才能推动中医诊断的现代化。

参考文献

[1] 何岳.基于数字摄像机的舌图像采集平台设计方案[D].北京工业大学，2009.

[2] 王忆勤,石强,周越.舌象数字化信息采集装置：中国，2004200222907.X[P].2005-08-24.

[3] 胡广芹,陆小左,吴喜庆,等.舌诊面诊仪：中国，200920160772.6[P].2010-05-19.

[4] 沈兰荪,刘晓民,刘长江,等.箱式中医舌象分析仪：中国，200910237462.4[P].2011-08-17.

[5] 曹美玲，沈兰荪.新型中医舌象仪的研制和舌图像的颜色重现[D].北京：北京工业大学，2008.

[6] 韦玉科，范鹏，曾贵.改进的GrabCut方法在舌诊系统中的应用[J]. 传感器与微系统，2014，33(10):157-161.